高频电子线路第三章高频功率放大器(上课)

倍频高频放大调制话筒声音发射天线图调幅发射机方框图音频放大高频振荡缓冲1.谐振（高频）功放与非谐振（低频）功放的比较相同:要求输出功率大，效率高非线性(大信号)不同:低频（音频）:20Hz～20kHz1000minmaxff高频（射频）:3minmaxff（以调幅为例）ttmVtcoscos1)(fomov已调信号lowhighωAM广播信号:535kHz～1605kHz，BW=10kHz1001k1000k100fBW谐振与非谐振(工作状态)2k10k200fBW高频窄带信号工作频率与相对频宽不同,中心频率越高，则相对频宽越小。因此高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路功率放大电路的主要特点输入为大信号要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状态效率要高非线性失真要小BJT的散热问题(管子的保护)E(a)甲类class-Aamplifier(b)乙类class-Bamplifier(c)甲乙类class-ABamplifier(d)丙类class-Camplifier2.分类流通角:一个周期内有电流流通的相角.3.要解决的问题减小失真（线性度）管子的保护提高输出功率提高效率PPCo=率直流电源提供的直流功输出功率Coo=PPP)()(=)(Co直流功耗交流功率直流电源功率PPP丙类(C类)放大器的效率最高，但是波形失真也最严重。4.效率与失真矛盾的解决tnItItIIinsin2sinsincm2cm1cmc0Cωlowhigh3ωnω2ω04.效率与失真矛盾的解决有源器件谐振回路窄带谐振放大器丙类通过谐振负载，从丙类余弦周期脉冲里恢复基波完整周期信号。32154Tr1Tr2CLyLT输入回路输出回路晶体管功能：将直流功率转换为交流信号功率。主要指标：输出功率与效率工作状态：丙类大信号的非线性状态（非线性失真）分析方法：折线近似分析法。(大信号)高频谐振功率放大器3.2.1获得高效率所需要的条件3.2.2功率关系Vbmvbet小信号谐振放大器与丙类谐振功率放大器的区别之处在于：工作状态分别为小信号甲类与大信号丙类。因此，采用负电源作基极偏置。tiC0-qc+qcVBB0-qc+qcvbe转移特性iCVBZo理想化tVVcosbmBBBEv图高频功率放大器的基本电路失真E(b)t或电压电流0VBZVCCV－BBVbmVcmvbEmaxqiCicmaxciCvCEvBEvCEmin1.iC与vBE同相，与vCE反相；2.iC脉冲最大时，vCE最小；3.导通角和vCEmin越小，Pc越小；tVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEvtTPTd10CECcviPPoc电路正常工作（丙类、谐振）时，外部电路关系式：tnItItIIincos2coscoscmcm21cm0cCtVVcosbmBBBEvtVVcoscmCCCEv谐振回路E直流功率：P==VCCIc0输出交流功率：cm1cmo21IVPp21cmp2cm212RIRVPPoc)(2121c10cCC1cmcmqgIVIV集电极效率：CCcmVV集电极电压利用系数tVVcmCCCEcosv0ccm1c1)(IIgq波形系数tnItItIIincos2coscoscmcm21cm0cC3.3.2集电极余弦电流脉冲的分解3.3.3高频功率放大器的动态特性与负载特性3.3.4各极电压对工作状态的影响3.3.1晶体管特性曲线的理想化及其解析式为了对高频功率放大器进行定量分析与计算，关键在于求出电流的直流分量Ic0与基频分量Ic1m。最好能有一个明确的数学表达式来显示二者与通角θc的关系，以便于电路设计和调试时，对放大器工作状态的选择指明方向。考虑到谐振功率放大器工作于丙类（非线性、大信号）状态，采取图解法与数学解析分析相折中的办法：折线近似分析法。晶体管静态特性曲线折线法输出特性曲线转移特性曲线（基极电压或电流一定时，ic与uce的关系）（集电极电压一定时，ic与ube的关系）图3.3.1晶体管的输出特性及其理想化iC=gcrvCE欠压临界过压End图3.3.2晶体管静态转移特性及其理想化iC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)VbmvbettiC0-qc+qcVBBo-qc+qcvbe转移特性iCVBZ0理想化以上建立了晶体管的简化分析模型，下面求解集电极余弦脉冲电流中的各个频率分量。首先，写出其表达式。bmBZBBccosVVVqiC=gc(vBE–VBZ)(vBE＞VBZ)=gc(Vbmcosωt–VBZ－VBB)=gcVbm(cosωt–cosqc)=gcVbm(1–cosqc)当t=0时，iC=iCmax取决于脉冲高度iCmax与通角qc当t=qc时，iC=0tVVcosbmBBBEvccCmaxCcos1coscosqqtii图3.3.3尖顶余弦脉冲由傅里叶级数求系数，得)cos1(cossin)(ccccc0qqqqq其中：)(dπ21c0maxCC0CccqqqitiI)(dcosπ1cnmaxCCcnmqqqitnωωiIcc)cos1(sincos)(ccccc1qqqqq)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnqqqqqqnnnnn尖顶余弦脉冲的分解系数0ccm1c1)(IIgq波形系数)()(c0c1qqccccccc1cossinsincos)(qqqqqqqgcctiiqqcos1coscosCmaxCtnItItIIincos2coscoscmcm21cm0cC下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角qc变化的情况，从而选择合适的工作状态。n2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qc10180120160100123140尖顶脉冲的分解系数当qc≈120时，Icm1/iCmax最大。在iCmax与负载阻抗Rp为某定值的情况下，输出功率将达到最大值。但此时放大器处于甲乙类状态，效率太低。)cos1(πcossin)(ccccc0qqqqq)cos1(πsincos)(ccccc1qqqqq)cos1)(1(sincoscossin2)(c2cccccnqqqqqqnnnnn)(c1maxC1CqiImp2c1m021RIPn2.01.00.50.40.30.20.1020406080100qc10180120160100123140图6-9尖顶脉冲的分解系数ccccccc0c1c1cossinsincos)()()(qqqqqqqqqg)(21)()(2121c1cnc10cCCc1mcmocqqqgIVIVPP由曲线可知：极端情况qc=0时，2)()()(c0c1c1qqqg如果此时=1，c可达100%。为了兼顾功率与效率，最佳通角取70左右。0)0(1maxCc1miIEnd下面分析基波分量Ic1m、集电极效率ηc和输出功率Po随通角qc变化的情况，从而选择合适的工作状态。因此，下面分析四个参数Rp和电压VCC、VBB、Vbm的变化对工作状态的影响，即谐振功放的动态特性，从而阐明各种工作状态的特点，为工作状态的调整提供参考。集电极效率ηc和输出功率Po是否能最佳实现最终取决于功放中外部电路参数Rp和电压VBB、Vbm、VCC。bmBZBBccosVVVq)(c1maxc1mqCiIpc1mcmRIV1.高频功放的动态特性-为一折线下面通过折线近似分析法定性分析其动态特性，首先，建立由Rp和VCC、VBB、Vbm所表示的输出动态负载曲线。BZBEcCVVgi0CEcCVVVgcmbmvi0CEdVgvccmCC0cosqVVV;cmbmcdVVggp1cmcmRIVvceicVo•AVCC•QVcm1cqvcmingdtVVcoscmCCCEvtVVcosbmBBBEvcmCECCbmBBBEVvVVVv2.高频功放的负载特性vBEiC•-VBB•VBZvbeCqCqiCCqCqgCVbm•vbemaxiCmaxvceiCVCC•QvceminVcesgd•vbemax•••gcr•当CCV、BBV、bmV不变时，动态特性曲线与负载PR的关系。过压区临界区欠压区vbemax2.高频功放的负载特性iCvcevbemax过压区临界区欠压区欠压过压0临界RpcmV0cI1cmI欠压过压0临界RpPPoc0cCCIVPc1mcmo21IVPocPPPEnd欠压、过压、临界三种工作状态的特点：结论：欠压：恒流，Vcm变化，Po较小，ηc低，Pc较大；过压：恒压，Icm1变化，Po较小，ηc可达最高；临界：Po最大，ηc较高；最佳工作状态发射机末级中间放大级2.高频功放的负载特性图3.3.7负载特性曲线欠压过压0临界RpPPoc0cCCIVPc1mcmo21IVPocPPP欠压过压0临界RpcmV0cIc1mIoptR例：有一个用硅NPN外延平面型高频功率管3DA1做成的谐振功率放大器，已知Vcc=24V，Po=2W,工作频率1MHz。试求它的能量关系。由晶体管手册已知其有关参数为：WPVVmAIdBAMHzfCMsatCEcMpT15.1)(,750,13,70)(，集电极饱和压降分析：由前面的讨论可知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压VVVsatCEce5.1)(min%81472.22472.02472.2472.2103.024)(750408436.0178436.0253.0701785.1265.225.126225.2225.22)5.124(0cccc11c1c00c122minPPWPPPWIVPmAIimARVIPVRVVVVococmccMpcmmcocmpcecccmqqqq未超过电流安全范围）（）（，）（，可知选取一、直流馈电电路要想使高频功率放大器正常工作，晶体管各电极必须有相应的馈电电源。无论是集电极电路还是基极电路，它们的馈电方式都分为串联馈电和并联馈电。但无论哪种馈电方式，都应该遵循下列几条基本组成原则：（1）直流电流IC0是生产能量的源泉，它由VCC经管外电路输至集电极，应该是除了晶体管的内阻外，没有其他电阻消耗能量。因此要求管外电路对直流来说等效电路如图（a）所示。（2）高频基波分量Ic1m应通过负载回路，以产生所需要的高频输出功率。因此，Ic1m只应在负载回路上产生电压降，其余的部分对于Ic1m来说，都应该是短路的。所以，对于Ic1m的等效电路应如图（b）所示。（3）高频谐波分量Icnm是“副产品”，不应消耗功率（倍频器除外）。因此管外电路对Icnm来说，应该尽可能接近于短路，如图（c）所示。要满足以上三条原则，可以采用串联馈电与并联馈电两种电路，简称串馈和并馈。所谓串馈，就是说电子器件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的。并联串馈，就是将这三部分并联起来。对于基极电路来说，同样也有串馈和并馈两种形式。在以上的电路中，偏置电压VBB都用电池的形式来表示。实际上，VBB单独用电池供给是不方便的，因而常采用一下的方法来产生VBB:（1）利用基极电流的直流分量IB0在基极偏置电阻Rb上产生所需要的偏置电压VBB。如图(a)所示。（2）利用基极电流在基极扩散电阻上产生